Daya Archimedes bertindak ke atas jasad. Daya apungan

Selalunya penemuan saintifik adalah hasil kebetulan semata-mata. Tetapi hanya orang yang mempunyai minda yang terlatih dapat menghargai kepentingan kebetulan yang mudah dan membuat kesimpulan yang jauh daripadanya. Ia adalah terima kasih kepada rantaian peristiwa rawak bahawa undang-undang Archimedes muncul dalam fizik, yang menerangkan tingkah laku badan di dalam air.

Tradisi

Di Syracuse, Archimedes adalah legenda. Suatu ketika penguasa kota yang mulia ini meragui kejujuran tukang emasnya. Mahkota, yang dibuat untuk pemerintah, harus mengandungi sejumlah emas. Semak fakta ini yang diarahkan Archimedes.

Archimedes menetapkan bahawa jasad di udara dan di dalam air mempunyai berat yang berbeza, dan perbezaannya adalah berkadar terus dengan ketumpatan jasad yang diukur. Dengan mengukur berat mahkota di udara dan air, dan menjalankan eksperimen serupa dengan sekeping emas keseluruhan, Archimedes membuktikan bahawa campuran logam yang lebih ringan wujud dalam mahkota yang dibuat.

Menurut legenda, Archimedes membuat penemuan ini dalam tab mandi, melihat air yang terpercik. Apa yang berlaku seterusnya dengan tukang emas yang tidak jujur, sejarah senyap, tetapi kesimpulan ahli sains Syracuse membentuk asas kepada salah satu undang-undang fizik yang paling penting, yang dikenali kepada kita sebagai undang-undang Archimedes.

Perkataan

Archimedes menggariskan hasil eksperimennya dalam karya "On Floating Bodies", yang, malangnya, telah bertahan hingga ke hari ini hanya dalam bentuk serpihan. Fizik moden menerangkan hukum Archimedes sebagai jumlah daya yang bertindak ke atas jasad yang direndam dalam cecair. Daya apungan badan dalam bendalir diarahkan ke atas; nilai mutlaknya adalah sama dengan berat cecair yang disesarkan.

Tindakan cecair dan gas pada jasad yang tenggelam

Mana-mana objek yang direndam dalam cecair mengalami daya tekanan. Pada setiap titik di permukaan badan, daya ini diarahkan berserenjang dengan permukaan badan. Jika mereka sama, badan akan mengalami mampatan sahaja. Tetapi daya tekanan meningkat mengikut perkadaran dengan kedalaman, jadi permukaan bawah badan mengalami lebih banyak mampatan daripada bahagian atas. Anda boleh mempertimbangkan dan menambah semua daya yang bertindak ke atas jasad di dalam air. Vektor akhir arah mereka akan diarahkan ke atas, badan ditolak keluar dari cecair. Magnitud kuasa ini ditentukan oleh undang-undang Archimedes. Pelayaran badan sepenuhnya berdasarkan undang-undang ini dan pelbagai akibat daripadanya. Pasukan Archimedean juga bertindak dalam gas. Terima kasih kepada daya daya apungan inilah kapal udara dan belon terbang di langit: berkat anjakan udara, ia menjadi lebih ringan daripada udara.

Formula fizikal

Secara visual, kuasa Archimedes boleh ditunjukkan dengan menimbang mudah. Apabila menimbang berat latihan dalam vakum, di udara dan di dalam air, seseorang dapat melihat bahawa beratnya berubah dengan ketara. Dalam vakum, berat berat adalah satu, di udara - sedikit lebih rendah, dan dalam air - lebih rendah.

Jika kita mengambil berat badan dalam vakum sebagai P o, maka beratnya dalam udara boleh diterangkan dengan formula berikut: P dalam \u003d P o - F a;

di sini P kira-kira - berat dalam vakum;

Seperti yang dapat dilihat dari rajah, apa-apa tindakan dengan menimbang dalam air dengan ketara meringankan badan, oleh itu, dalam kes sedemikian, daya Archimedes mesti diambil kira.

Untuk udara, perbezaan ini boleh diabaikan, jadi biasanya berat badan yang direndam dalam udara diterangkan oleh formula standard.

Ketumpatan medium dan daya Archimedes

Menganalisis eksperimen paling mudah dengan berat badan dalam pelbagai media, seseorang boleh membuat kesimpulan bahawa berat badan dalam pelbagai media bergantung kepada jisim objek dan ketumpatan medium rendaman. Lebih-lebih lagi, lebih padat medium, lebih besar kekuatan Archimedes. Hukum Archimedes mengaitkan hubungan ini dan ketumpatan cecair atau gas dicerminkan dalam formula terakhirnya. Apa lagi yang mempengaruhi kuasa ini? Dengan kata lain, pada ciri-ciri apakah hukum Archimedes bergantung?

Formula

Daya Archimedean dan daya yang mempengaruhinya boleh ditentukan menggunakan penaakulan logik yang mudah. Katakan bahawa badan dengan isipadu tertentu, yang direndam dalam cecair, terdiri daripada cecair yang sama di mana ia direndam. Andaian ini tidak bercanggah dengan mana-mana andaian lain. Lagipun, daya yang bertindak ke atas jasad sama sekali tidak bergantung pada ketumpatan badan ini. Dalam kes ini, badan kemungkinan besar akan berada dalam keseimbangan, dan daya apungan akan dikompensasikan oleh graviti.

Oleh itu, keseimbangan jasad dalam air akan diterangkan seperti berikut.

Tetapi daya graviti, daripada keadaan, adalah sama dengan berat cecair yang disesarkannya: jisim cecair adalah sama dengan hasil darab ketumpatan dan isipadu. Menggantikan nilai yang diketahui, anda boleh mengetahui berat badan dalam cecair. Parameter ini diterangkan sebagai ρV * g.

Menggantikan nilai yang diketahui, kita dapat:

Ini adalah undang-undang Archimedes.

Formula yang kami peroleh menggambarkan ketumpatan sebagai ketumpatan badan yang dikaji. Tetapi dalam keadaan awal ditunjukkan bahawa ketumpatan badan adalah sama dengan ketumpatan cecair di sekelilingnya. Oleh itu, dalam formula ini, anda boleh menggantikan nilai ketumpatan cecair dengan selamat. Pemerhatian visual, mengikut mana daya keapungan lebih besar dalam medium yang lebih padat, telah menerima justifikasi teori.

Pemakaian undang-undang Archimedes

Eksperimen pertama yang menunjukkan undang-undang Archimedes telah diketahui sejak zaman persekolahan. Plat logam tenggelam di dalam air, tetapi, dilipat dalam bentuk kotak, ia bukan sahaja dapat bertahan, tetapi juga membawa beban tertentu. Peraturan ini adalah kesimpulan yang paling penting dari pemerintahan Archimedes, ia menentukan kemungkinan membina kapal sungai dan laut, dengan mengambil kira kapasiti maksimum mereka (anjakan). Lagipun, ketumpatan laut dan air tawar adalah berbeza, dan kapal dan kapal selam mesti mengambil kira perbezaan dalam parameter ini apabila memasuki muara sungai. Pengiraan yang salah boleh membawa kepada bencana - kapal akan kandas, dan usaha besar akan diperlukan untuk menaikkannya.

Undang-undang Archimedes juga diperlukan untuk kapal selam. Hakikatnya ialah ketumpatan air laut berubah nilainya bergantung kepada kedalaman rendaman. Pengiraan ketumpatan yang betul akan membolehkan penyelam mengira dengan betul tekanan udara di dalam sut, yang akan menjejaskan kebolehgerakan penyelam dan memastikan penyelam selamat dan pendakiannya. Prinsip Archimedes juga mesti diambil kira dalam penggerudian air dalam, pelantar penggerudian besar kehilangan sehingga 50% daripada beratnya, yang menjadikan pengangkutan dan operasinya lebih murah.

Cecair dan gas, mengikut mana, pada mana-mana badan yang direndam dalam cecair (atau gas), daya apungan bertindak daripada cecair (atau gas) ini, sama dengan berat cecair (gas) yang disesarkan oleh badan dan diarahkan menegak ke atas. .

Undang-undang ini ditemui oleh saintis Yunani kuno Archimedes pada abad III. BC e. Archimedes menerangkan penyelidikannya dalam risalah On Floating Bodies, yang dianggap sebagai salah satu karya saintifik terakhirnya.

Berikut adalah dapatan daripada undang-undang Archimedes.

Tindakan cecair dan gas ke atas jasad yang direndam di dalamnya.

Jika anda menenggelamkan bola berisi udara di dalam air dan melepaskannya, ia akan terapung. Perkara yang sama akan berlaku dengan serpihan kayu, gabus dan banyak badan lain. Daya apakah yang membuatkan mereka terapung?

Jasad yang direndam dalam air tertakluk kepada tekanan air dari semua sisi (Rajah 1). a). Pada setiap titik badan, daya ini diarahkan berserenjang dengan permukaannya. Jika semua daya ini adalah sama, badan hanya akan mengalami mampatan menyeluruh. Tetapi pada kedalaman yang berbeza, tekanan hidrostatik adalah berbeza: ia meningkat dengan peningkatan kedalaman. Oleh itu, daya tekanan yang dikenakan pada bahagian bawah badan ternyata lebih besar daripada daya tekanan yang bertindak ke atas badan dari atas.

Jika kita menggantikan semua daya tekanan yang dikenakan pada jasad yang direndam dalam air dengan satu daya (hasil atau paduan) yang mempunyai kesan yang sama pada badan seperti semua daya individu ini bersama-sama, maka daya yang terhasil akan diarahkan ke atas. Inilah yang membuatkan badan terapung. Daya ini dipanggil daya apung, atau kuasa Archimedean (selepas Archimedes, yang mula-mula menunjukkan kewujudannya dan menetapkan apa yang bergantung padanya). Pada imej b ia dilabel sebagai F A.

Daya Archimedean (apung) bertindak pada badan bukan sahaja dalam air, tetapi juga dalam mana-mana cecair lain, kerana dalam mana-mana cecair terdapat tekanan hidrostatik, yang berbeza pada kedalaman yang berbeza. Daya ini juga bertindak dalam gas, kerana belon dan kapal udara terbang.

Disebabkan oleh daya keapungan, berat mana-mana jasad di dalam air (atau dalam mana-mana cecair lain) adalah kurang daripada di udara, dan kurang di udara daripada di dalam ruang tanpa udara. Adalah mudah untuk mengesahkan ini dengan menimbang berat dengan bantuan dinamometer spring latihan, pertama di udara, dan kemudian menurunkannya ke dalam bekas dengan air.

Pengurangan berat juga berlaku apabila badan dipindahkan dari vakum ke udara (atau beberapa gas lain).

Jika berat badan dalam vakum (contohnya, dalam bekas yang udara dipam keluar) adalah sama dengan P0, maka beratnya di udara ialah:

di mana F´ A ialah daya Archimedean yang bertindak ke atas jasad tertentu di udara. Bagi kebanyakan badan, daya ini boleh diabaikan dan boleh diabaikan, iaitu, kita boleh menganggap bahawa P udara =P 0 =mg.

Berat badan dalam cecair berkurangan lebih banyak daripada udara. Jika berat badan di udara P udara =P 0, maka berat badan dalam cecair itu ialah P cecair \u003d P 0 - F A. Di sini F A ialah daya Archimedean yang bertindak dalam bendalir. Oleh itu ia mengikutinya

Oleh itu, untuk mencari daya Archimedean yang bertindak ke atas jasad dalam sebarang cecair, jasad ini mesti ditimbang dalam udara dan dalam cecair. Perbezaan antara nilai yang diperolehi adalah daya Archimedean (apung).

Dengan kata lain, dengan mengambil kira formula (1.32), kita boleh mengatakan:

Daya apungan yang bertindak ke atas jasad yang direndam dalam cecair adalah sama dengan berat cecair yang disesarkan oleh jasad ini.

Daya Archimedean juga boleh ditentukan secara teori. Untuk melakukan ini, katakan bahawa badan yang direndam dalam cecair terdiri daripada cecair yang sama di mana ia direndam. Kami mempunyai hak untuk menganggap ini, kerana daya tekanan yang bertindak ke atas jasad yang direndam dalam cecair tidak bergantung pada bahan dari mana ia dibuat. Kemudian pasukan Archimedean digunakan untuk badan sedemikian F A akan diimbangi oleh daya graviti ke bawah mdang(di mana m f ialah jisim cecair dalam isipadu badan tertentu):

Tetapi daya graviti adalah sama dengan berat bendalir yang disesarkan R f. Dengan cara ini.

Diberi bahawa jisim cecair adalah sama dengan hasil darab ketumpatannya ρ w pada isipadu, formula (1.33) boleh ditulis sebagai:

di mana Vdan ialah isipadu cecair yang disesarkan. Isipadu ini sama dengan isipadu bahagian badan yang direndam dalam cecair. Jika badan benar-benar tenggelam dalam cecair, maka ia bertepatan dengan isipadu V seluruh badan; jika badan sebahagiannya direndam dalam cecair, maka isipadu Vdan isipadu cecair yang disesarkan V badan (Rajah 1.39).

Formula (1.33) juga sah untuk daya Archimedean yang bertindak dalam gas. Hanya dalam kes ini, adalah perlu untuk menggantikan ketumpatan gas dan isipadu gas yang disesarkan, dan bukan cecair, ke dalamnya.

Memandangkan perkara di atas, hukum Archimedes boleh dirumuskan seperti berikut:

Mana-mana jasad yang direndam dalam cecair (atau gas) semasa diam dipengaruhi oleh daya apungan daripada cecair (atau gas) ini, sama dengan hasil darab ketumpatan cecair (atau gas), pecutan jatuh bebas dan isipadu itu. bahagian badan yang direndam dalam cecair (atau gas).

Daya apungan yang bertindak ke atas jasad yang direndam dalam bendalir adalah sama dengan berat bendalir yang disesarkan olehnya.

"Eureka!" ("Ditemui!") - seruan ini, menurut legenda, dikeluarkan oleh saintis dan ahli falsafah Yunani kuno Archimedes, setelah menemui prinsip anjakan. Legenda mengatakan bahawa raja Syracusan Heron II meminta pemikir untuk menentukan sama ada mahkotanya diperbuat daripada emas tulen tanpa merosakkan mahkota diraja itu sendiri. Tidak sukar bagi Archimedes untuk menimbang mahkota, tetapi ini tidak mencukupi - adalah perlu untuk menentukan jumlah mahkota untuk mengira ketumpatan logam dari mana ia dibuang, dan untuk menentukan sama ada ia adalah emas tulen .

Selanjutnya, menurut legenda, Archimedes, sibuk dengan pemikiran tentang cara menentukan jumlah mahkota, terjun ke dalam tab mandi - dan tiba-tiba menyedari bahawa paras air di dalam bilik mandi telah meningkat. Dan kemudian saintis itu menyedari bahawa isipadu badannya menggantikan isipadu air yang sama, oleh itu, mahkota, jika ia diturunkan ke dalam besen yang diisi hingga penuh, akan menggantikan isipadu air yang sama dengan isipadunya. Penyelesaian kepada masalah itu ditemui dan, menurut versi legenda yang paling biasa, saintis itu berlari untuk melaporkan kemenangannya kepada istana diraja, tanpa perlu bersusah payah untuk berpakaian.

Walau bagaimanapun, apa yang benar adalah benar: Archimedes yang menemuinya prinsip keapungan. Jika suatu jasad pepejal direndam dalam cecair, ia akan menyesarkan isipadu cecair yang sama dengan isipadu bahagian badan yang direndam dalam cecair itu. Tekanan yang sebelum ini bertindak ke atas cecair yang disesarkan kini akan bertindak ke atas pepejal yang menyesarkannya. Dan, jika daya apungan yang bertindak menegak ke atas adalah lebih besar daripada graviti yang menarik badan secara menegak ke bawah, jasad akan terapung; jika tidak ia akan pergi ke bawah (lemas). Dalam istilah moden, jasad terapung jika ketumpatan puratanya kurang daripada ketumpatan bendalir di mana ia direndam.

Hukum Archimedes boleh ditafsirkan dari segi teori kinetik molekul. Dalam cecair dalam keadaan diam, tekanan dihasilkan oleh kesan molekul yang bergerak. Apabila isipadu cecair tertentu disesarkan oleh jasad pepejal, momentum ke atas kesan molekul akan jatuh bukan pada molekul cecair yang disesarkan oleh badan, tetapi pada badan itu sendiri, yang menerangkan tekanan yang dikenakan ke atasnya dari bawah dan menolaknya ke arah permukaan cecair. Jika badan direndam sepenuhnya dalam cecair, daya keapungan masih akan bertindak ke atasnya, kerana tekanan meningkat dengan kedalaman yang semakin meningkat, dan bahagian bawah badan dikenakan lebih banyak tekanan daripada bahagian atas, dari mana daya keapungan timbul. . Ini adalah penjelasan tentang daya keapungan pada peringkat molekul.

Corak daya apungan ini menerangkan mengapa kapal yang diperbuat daripada keluli, yang jauh lebih tumpat daripada air, kekal terapung. Hakikatnya ialah isipadu air yang disesarkan oleh kapal adalah sama dengan isipadu keluli yang ditenggelami air ditambah dengan isipadu udara yang terkandung di dalam badan kapal di bawah garisan air. Jika kita purata ketumpatan cangkerang badan kapal dan udara di dalamnya, ternyata ketumpatan kapal (sebagai badan fizikal) adalah kurang daripada ketumpatan air, jadi daya apungan bertindak ke atasnya sebagai hasilnya. daripada impuls ke atas kesan molekul air ternyata lebih tinggi daripada daya tarikan graviti Bumi, menarik kapal ke bawah, dan kapal itu belayar.

Daya apungan yang bertindak ke atas jasad yang direndam dalam bendalir adalah sama dengan berat bendalir yang disesarkan olehnya.

Walau bagaimanapun, apa yang benar adalah benar: Archimedes yang menemui prinsip keapungan. Jika suatu jasad pepejal direndam dalam cecair, ia akan menyesarkan isipadu cecair yang sama dengan isipadu bahagian badan yang direndam dalam cecair itu. Tekanan yang sebelum ini bertindak ke atas cecair yang disesarkan kini akan bertindak ke atas pepejal yang menyesarkannya. Dan, jika daya apungan yang bertindak menegak ke atas adalah lebih besar daripada graviti yang menarik badan secara menegak ke bawah, jasad akan terapung; jika tidak ia akan pergi ke bawah (lemas). Dalam istilah moden, jasad terapung jika ketumpatan puratanya kurang daripada ketumpatan bendalir di mana ia direndam.

Hakikat bahawa daya tertentu bertindak ke atas badan yang direndam dalam air diketahui oleh semua orang: badan yang berat kelihatan menjadi lebih ringan - contohnya, badan kita sendiri apabila direndam dalam mandi. Berenang di sungai atau di laut, anda boleh dengan mudah mengangkat dan memindahkan batu yang sangat berat di bahagian bawah - sehingga kita tidak boleh mengangkat di darat; fenomena yang sama diperhatikan apabila, atas sebab tertentu, ikan paus dibuang ke darat - haiwan itu tidak boleh bergerak di luar persekitaran akuatik - beratnya melebihi keupayaan sistem ototnya. Pada masa yang sama, badan-badan ringan menolak untuk ditenggelami air: ia memerlukan kedua-dua kekuatan dan ketangkasan untuk menenggelamkan bola sebesar tembikai kecil; kemungkinan besar tidak mungkin untuk membenamkan bola dengan diameter setengah meter. Secara intuitif jelas bahawa jawapan kepada soalan mengapa jasad terapung (dan satu lagi tenggelam) berkait rapat dengan tindakan bendalir pada jasad yang direndam di dalamnya; seseorang tidak boleh berpuas hati dengan jawapan bahawa badan ringan terapung dan badan berat tenggelam: plat keluli, sudah tentu, akan tenggelam dalam air, tetapi jika kotak dibuat daripadanya, maka ia boleh terapung; sedangkan berat badannya tidak berubah. Untuk memahami sifat daya yang bertindak ke atas jasad yang tenggelam daripada cecair, cukup untuk mempertimbangkan contoh mudah (Rajah 1).

Sebuah kubus dengan tepi a direndam dalam air, dan kedua-dua air dan kubus adalah pegun. Adalah diketahui bahawa tekanan dalam cecair berat meningkat mengikut perkadaran dengan kedalaman - jelas bahawa lajur cecair yang lebih tinggi menekan dengan lebih kuat pada pangkalan. Adalah kurang jelas (atau tidak jelas sama sekali) bahawa tekanan ini bertindak bukan sahaja ke bawah, tetapi juga ke sisi, dan ke atas dengan keamatan yang sama - ini adalah undang-undang Pascal.

Jika kita menganggap daya yang bertindak pada kubus (Rajah 1), maka, disebabkan oleh simetri yang jelas, daya yang bertindak pada muka sisi bertentangan adalah sama dan berlawanan arah - mereka cuba untuk memampatkan kubus, tetapi tidak boleh menjejaskan keseimbangan atau pergerakannya . Terdapat daya yang bertindak pada muka atas dan bawah. Biarkan - kedalaman rendaman muka atas, - ketumpatan cecair, - pecutan graviti; maka tekanan pada bahagian atas ialah

Dan di bahagian bawah

Daya tekanan adalah sama dengan tekanan yang didarab dengan luas, i.e.

,
,

di mana adalah tepi kubus, dan daya diarahkan ke bawah, dan daya diarahkan ke atas. Oleh itu, tindakan cecair pada kubus dikurangkan kepada dua daya - dan dan ditentukan oleh perbezaannya, iaitu daya apungan:
Daya apungan, kerana muka bawah, sudah tentu, terletak di bawah bahagian atas dan daya ke atas lebih besar daripada daya ke bawah. Nilainya adalah sama dengan isipadu badan (kubus), didarab dengan berat satu sentimeter padu cecair (jika kita mengambil 1 cm sebagai unit panjang). Dalam erti kata lain, daya apungan, sering disebut sebagai daya Archimedean, adalah sama dengan berat bendalir dalam isipadu badan dan diarahkan ke atas. Undang-undang ini telah ditubuhkan oleh saintis Yunani kuno Archimedes, salah seorang saintis terhebat di Bumi.

Jika jasad dengan bentuk sewenang-wenangnya (Rajah 2) menempati isipadu di dalam cecair, maka kesan cecair pada badan ditentukan sepenuhnya oleh tekanan yang diedarkan ke atas permukaan badan, dan kami perhatikan bahawa tekanan ini adalah bebas sepenuhnya. daripada bahan badan - (“cecair tidak peduli apa yang perlu diberi tekanan” ).

Untuk menentukan daya tekanan yang terhasil pada permukaan badan, anda perlu mengeluarkan secara mental badan yang diberikan daripada isipadu V dan mengisi (secara mental) isipadu ini dengan cecair yang sama. Di satu pihak, terdapat bekas dengan cecair dalam keadaan rehat, sebaliknya, di dalam isipadu - badan yang terdiri daripada cecair tertentu, dan badan ini berada dalam keseimbangan di bawah tindakan beratnya sendiri (cecair berat) dan tekanan cecair pada permukaan isipadu. Oleh kerana berat cecair dalam isipadu badan adalah sama dengan dan diimbangi oleh paduan daya tekanan, maka nilainya adalah sama dengan berat cecair dalam isipadu, i.e. .

Setelah membuat penggantian terbalik secara mental - meletakkan badan ini dalam isipadu dan menyatakan bahawa penggantian ini tidak akan menjejaskan pengagihan daya tekanan pada permukaan isipadu dalam apa cara sekalipun, kita boleh membuat kesimpulan: daya ke atas (daya Archimedean) sama dengan berat cecair bertindak ke atas badan yang direndam dalam cecair berat dalam keadaan rehat di dalam badan.

Begitu juga, boleh ditunjukkan bahawa jika jasad direndam sebahagiannya dalam cecair, maka daya Archimedean adalah sama dengan berat cecair dalam isipadu bahagian badan yang direndam. Jika dalam kes ini daya Archimedean adalah sama dengan berat, maka badan terapung di permukaan cecair. Jelas sekali, jika pada rendaman penuh daya Archimedean kurang daripada berat badan, maka ia akan tenggelam. Archimedes memperkenalkan konsep "graviti tentu", i.e. berat per unit isipadu bahan: ; jika kita menerima bahawa untuk air, maka badan pepejal jirim, di mana ia akan tenggelam, dan apabila ia akan terapung di permukaan; apabila badan boleh terapung (bergantung) di dalam cecair. Sebagai kesimpulan, kami perhatikan bahawa undang-undang Archimedes menerangkan tingkah laku belon di udara (berhenti pada kelajuan rendah).

Hukum Archimedes boleh ditafsirkan dari sudut teori kinetik molekul. Dalam cecair dalam keadaan diam, tekanan dihasilkan oleh kesan molekul yang bergerak. Apabila isipadu cecair tertentu disesarkan oleh jasad pepejal, momentum ke atas kesan molekul akan jatuh bukan pada molekul cecair yang disesarkan oleh badan, tetapi pada badan itu sendiri, yang menerangkan tekanan yang dikenakan ke atasnya dari bawah dan menolaknya ke arah permukaan cecair. Jika badan direndam sepenuhnya dalam cecair, daya keapungan masih akan bertindak ke atasnya, kerana tekanan meningkat dengan kedalaman yang semakin meningkat, dan bahagian bawah badan dikenakan lebih banyak tekanan daripada bahagian atas, dari mana daya keapungan timbul. . Ini adalah penjelasan tentang daya keapungan pada peringkat molekul.

Archimedes of Siracuse / Archimedes of Siracuse, c. 287–212 SM e.

Ahli matematik Yunani purba, pencipta dan ahli falsafah semula jadi. Sedikit yang diketahui tentang hidupnya. Dia membuktikan beberapa teorem matematik asas, menjadi terkenal berkat penciptaan pelbagai mekanisme, yang masih digunakan secara meluas dalam kehidupan seharian dan dalam industri pertahanan. Legenda mengatakan bahawa Archimedes meninggal dunia dengan ganas, jatuh di tangan seorang askar Rom semasa pengepungan Syracuse, tidak mahu berlindung di dalam rumah, kerana dia benar-benar terserap dalam tugas geometri yang telah dilukisnya di atas pasir pantai.

Komen: 1

Nikolay Gorkavy

Ia bermula dengan fakta bahawa Raja Hieron II menjemput Archimedes ke istananya, menuangkan wain terbaik kepadanya, bertanya tentang kesihatannya, dan kemudian menunjukkan kepadanya mahkota emas yang dibuat untuk pemerintah oleh tukang emas istana. "Saya tidak faham barang kemas, tetapi saya faham orang," kata Hieron. - Dan saya rasa tukang emas itu menipu saya. Raja mengambil sebatang emas dari meja. - Saya memberinya jongkong yang sama, dan dia membuat mahkota daripadanya. Berat mahkota dan jongkong itu sama, hambaku periksa. Tetapi saya tidak ragu sama ada perak dicampur ke dalam mahkota? Anda, Archimedes, adalah saintis terhebat Syracuse, dan saya meminta anda untuk memeriksa ini, kerana jika raja memakai mahkota palsu, malah budak jalanan akan menertawakannya ...

Pergerakan badan fizikal dalam satu dimensi tidak bergantung kepada pergerakannya dalam dua dimensi yang lain. Sebagai contoh, laluan penerbangan bola meriam ialah gabungan dua trajektori gerakan bebas: gerakan mendatar seragam dengan kelajuan yang diberikan kepada bola meriam, dan gerakan menegak dipercepat secara seragam di bawah pengaruh graviti.

Anda mungkin pernah mengalami sensasi fizikal yang aneh dalam lif berkelajuan tinggi: apabila lif bergerak ke atas (atau perlahan apabila bergerak ke bawah), anda ditekan ke lantai, dan anda berasa seperti anda berat seketika; dan pada saat brek apabila bergerak ke atas (atau bermula apabila bergerak ke bawah), lantai lif benar-benar meninggalkan di bawah kaki anda. Sendiri, mungkin tanpa disedari, anda mengalami kesan prinsip kesetaraan jisim inersia dan graviti. Apabila lif bergerak ke atas, ia bergerak pada pecutan yang ditambah pada pecutan disebabkan oleh graviti dalam rangka rujukan bukan inersia (dipercepatkan) yang dikaitkan dengan lif, dan berat anda bertambah. Walau bagaimanapun, sebaik sahaja lif mencapai "kelajuan pelayaran", ia mula bergerak sama rata, "kenaikan" berat hilang, dan berat anda kembali kepada nilai biasa anda. Oleh itu, pecutan menghasilkan kesan yang sama seperti graviti.

Dalam mekanik Newtonian klasik, sebarang daya hanyalah daya tarikan atau tolakan yang menyebabkan perubahan sifat pergerakan badan fizikal. Walau bagaimanapun, dalam teori kuantum moden, konsep daya (kini ditafsirkan sebagai interaksi antara zarah asas) ditafsirkan agak berbeza. Interaksi daya kini dianggap sebagai hasil pertukaran zarah pembawa interaksi antara dua zarah yang berinteraksi. Dengan pendekatan ini, interaksi elektromagnet antara, sebagai contoh, dua elektron adalah disebabkan oleh pertukaran foton di antara mereka, dan begitu juga, pertukaran zarah perantara lain membawa kepada kemunculan tiga jenis interaksi lain.

Undang-undang Newton - bergantung pada cara anda melihatnya - mewakili sama ada penghujung permulaan atau permulaan penghujung mekanik klasik. Walau apa pun, ini adalah titik perubahan dalam sejarah sains fizik - kompilasi cemerlang semua pengetahuan yang terkumpul oleh detik sejarah itu tentang gerakan badan fizikal dalam rangka teori fizikal, yang kini biasanya dipanggil mekanik klasik. Boleh dikatakan bahawa sejarah fizik moden dan sains semula jadi secara amnya bermula daripada undang-undang gerakan Newton.

Sebaik sahaja mula bergerak, badan cenderung untuk terus bergerak. Hukum mekanik pertama Newton mengatakan: jika jasad itu bergerak, maka jika tiada pengaruh luar, ia akan terus bergerak lebih jauh dalam garis lurus dan seragam sehingga ia tertakluk kepada daya luar. Aliran ini dipanggil momentum linear. Begitu juga, jasad yang berputar mengelilingi paksinya, tanpa adanya daya yang menghalang putaran, akan terus berputar, kerana jasad berputar mempunyai jumlah gerakan tertentu, dinyatakan dalam bentuk momentum sudut momentum atau, secara ringkas, sudut momentum atau momen putaran.

Model standard hari ini dipanggil teori yang paling mencerminkan pemahaman kita tentang bahan sumber dari mana alam semesta asalnya dibina. Ia juga menerangkan dengan tepat bagaimana jirim terbentuk daripada komponen asas ini, dan daya serta mekanisme interaksi antara mereka.

Galileo Galilei adalah salah seorang daripada orang yang menjadi terkenal bukan kerana apa yang mereka sepatutnya menikmati kemasyhuran yang sepatutnya. Semua orang masih ingat bagaimana naturalis Itali ini pada akhir hayatnya dibicarakan oleh Inkuisisi kerana disyaki bidaah dan terpaksa meninggalkan kepercayaan bahawa Bumi berputar mengelilingi Matahari. Malah, tuntutan mahkamah ini boleh dikatakan tidak mempunyai kesan ke atas perkembangan sains - berbeza dengan eksperimen yang sebelum ini dilakukan oleh Galileo dan kesimpulan yang dibuatnya berdasarkan eksperimen ini, yang sebenarnya telah menentukan perkembangan selanjutnya mekanik sebagai bahagian sains fizikal. .

Medan magnet pada satu titik dalam ruang, yang dicipta oleh segmen kecil konduktor yang melaluinya arus elektrik mengalir, adalah berkadar dengan kekuatan arus, berkadar songsang dengan kuasa dua jarak dari titik ini ke konduktor, dan adalah diarahkan berserenjang dengan kedua-dua arus dan arah kepada konduktor.

Dalam rangka rujukan berputar, pemerhati mengalami tindakan daya yang membawanya menjauhi paksi putaran. Anda mungkin mengalami ketidakselesaan apabila kereta yang anda pandu memasuki selekoh tajam. Nampaknya sekarang awak akan tercampak ke tepi jalan. Dan jika anda mengingati undang-undang mekanik Newton, ternyata kerana anda benar-benar ditekan ke dalam pintu, maka kuasa tertentu bertindak ke atas anda. Ia biasanya dirujuk sebagai "daya sentrifugal". Ia adalah kerana daya sentrifugal yang sangat menakjubkan pada selekoh tajam, apabila daya ini menekan anda ke sisi kereta. (Omong-omong, istilah ini, yang berasal dari perkataan Latin centrum ("pusat") dan fugus ("berlari"), telah diperkenalkan ke dalam penggunaan saintifik pada tahun 1689 oleh Isaac Newton.)

Dan statik gas.

YouTube ensiklopedia

1 / 5
Hukum Archimedes dirumuskan seperti berikut: daya apungan bertindak ke atas jasad yang direndam dalam cecair (atau gas), sama dengan berat cecair (atau gas) dalam isipadu bahagian badan yang direndam. Pasukan itu dipanggil kuasa Archimedes:
F A = ρ g V , (\gaya paparan (F)_(A)=\rho (g)V,)
di mana ρ (\displaystyle \rho ) ialah ketumpatan cecair (gas), g(\displaystyle(g))- pecutan bebas jatuh , dan V (\gaya paparan V)- isipadu bahagian badan yang tenggelam (atau bahagian isipadu badan di bawah permukaan). Jika jasad terapung di permukaan (bergerak secara seragam ke atas atau ke bawah), maka daya apungan (juga dipanggil daya Archimedean) adalah sama dalam nilai mutlak (dan bertentangan arah) dengan daya graviti yang bertindak ke atas isipadu cecair (gas). ) disesarkan oleh badan, dan digunakan pada pusat graviti isipadu ini.

Perlu diingatkan bahawa badan mesti dikelilingi sepenuhnya oleh cecair (atau bersilang dengan permukaan cecair). Jadi, sebagai contoh, undang-undang Archimedes tidak boleh digunakan pada kubus yang terletak di bahagian bawah tangki, secara hermetik menyentuh bahagian bawah.
Bagi badan yang berada di dalam gas, sebagai contoh, di udara, untuk mencari daya angkat, adalah perlu untuk menggantikan ketumpatan cecair dengan ketumpatan gas. Sebagai contoh, belon dengan helium terbang ke atas disebabkan oleh fakta bahawa ketumpatan helium adalah kurang daripada ketumpatan udara.
Hukum Archimedes boleh dijelaskan menggunakan perbezaan tekanan hidrostatik menggunakan contoh jasad segi empat tepat.
P B − P A = ρ g h (\displaystyle P_(B)-P_(A)=\rho gh) F B − F A = ρ g h S = ρ g V , (\gaya paparan F_(B)-F_(A)=\rho ghS=\rho gV,)
di mana P A, P B- titik tekanan A dan B, ρ - ketumpatan cecair, h- perbezaan tahap antara mata A dan B, S ialah kawasan keratan rentas mendatar badan, V- isipadu bahagian badan yang terendam.
Dalam fizik teori, undang-undang Archimedes juga digunakan dalam bentuk kamiran:
F A = ∬ S p d S (\displaystyle (F)_(A)=\iint \limits _(S)(p(dS))),
di mana S (\displaystyle S)- kawasan permukaan, p (\gaya paparan p)- tekanan pada titik sewenang-wenangnya, integrasi dilakukan ke atas seluruh permukaan badan.
Sekiranya tiada medan graviti, iaitu, dalam keadaan tanpa berat, hukum Archimedes tidak berfungsi. Angkasawan sudah biasa dengan fenomena ini dengan baik. Khususnya, dalam tanpa berat tidak ada fenomena perolakan (semula jadi), oleh itu, sebagai contoh, penyejukan udara dan pengudaraan ruang hidup kapal angkasa dilakukan secara paksa, oleh peminat.

Generalisasi

Analog tertentu undang-undang Archimedes juga sah dalam mana-mana bidang kuasa yang bertindak secara berbeza pada jasad dan cecair (gas), atau dalam medan tidak homogen. Sebagai contoh, ini merujuk kepada medan daya inersia (contohnya, daya emparan daya) - sentrifugasi adalah berdasarkan ini. Contoh untuk medan yang bersifat bukan mekanikal: diamagnet dalam vakum disesarkan dari kawasan medan magnet yang lebih intensitinya kepada kawasan yang lebih kecil intensitinya.

Terbitan undang-undang Archimedes untuk badan bentuk sewenang-wenangnya

Tekanan hidrostatik cecair pada kedalaman h (\gaya paparan h) terdapat p = ρ g h (\displaystyle p=\rho gh). Pada masa yang sama, kita pertimbangkan ρ (\displaystyle \rho ) cecair dan kekuatan medan graviti ialah nilai malar, dan h (\gaya paparan h)- parameter. Mari kita ambil badan berbentuk sewenang-wenang dengan isipadu bukan sifar. Mari kita perkenalkan sistem koordinat ortonormal yang betul O x y z (\displaystyle Oxyz), dan pilih arah paksi z yang bertepatan dengan arah vektor g → (\displaystyle (\vec (g))). Sifar di sepanjang paksi z ditetapkan pada permukaan cecair. Mari kita pilih satu kawasan asas pada permukaan badan d S (\displaystyle dS). Ia akan diambil tindakan oleh daya tekanan bendalir yang diarahkan ke dalam badan, d F → A = − p d S → (\displaystyle d(\vec (F))_(A)=-pd(\vec (S))). Untuk mendapatkan daya yang akan bertindak ke atas badan, kami mengambil kamiran di atas permukaan:
F → A = − ∫ S p d S → = − ∫ S ρ g h d S → = − ρ g ∫ S h d S → = ∗ − ρ g ∫ V g r a d (h) d V = ∗ ∗ − g → z d V = − ρ g e → z ∫ V d V = (ρ g V) (− e → z) (\displaystyle (\vec (F))_(A)=-\int \limits _(S)(p \,d(\vec (S)))=-\int \limits _(S)(\rho gh\,d(\vec (S)))=-\rho g\int \limits _(S)( h\,d(\vec (S)))=^(*)-\rho g\int \limits _(V)(grad(h)\,dV)=^(**)-\rho g\int \had _(V)((\vec (e))_(z)dV)=-\rho g(\vec (e))_(z)\int \limits _(V)(dV)=(\ rho gV)(-(\vec (e))_(z)))
Apabila berpindah dari kamiran di atas permukaan kepada kamiran ke atas isipadu, kami menggunakan teorem Ostrogradsky-Gauss umum.
∗ h (x, y, z) = z; ∗ ∗ g r a d (h) = ∇ h = e → z (\displaystyle ()^(*)h(x,y,z)=z;\quad ^(**)grad(h)=\nabla h=( \vec (e))_(z))
Kami mendapat bahawa modulus daya Archimedes adalah sama dengan ρ g V (\displaystyle \rho gV), dan ia diarahkan ke arah yang bertentangan dengan arah vektor kekuatan medan graviti.

Satu lagi perkataan (di mana ρ t (\displaystyle \rho _(t))- kepadatan badan, ρ s (\displaystyle \rho _(s)) ialah ketumpatan medium di mana ia direndam).